[科普中國]-低溫容器

低溫容器的分類及應(yīng)用

低溫液體的貯運容器（簡稱低溫容器）通常是以所貯存或運輸?shù)囊夯瘹怏w命名。在工業(yè)上貯運的液化氣體有液化天然氣、液氧、液氮、液氫、液氦以及液氟等。

低溫容器按其絕熱的方法可以分為：

（1）普通絕熱結(jié)構(gòu)的容器，這種容器用于液化天然氣的貯運及大量的液氧、液氮的貯運。

（2）高真空絕熱容器，這種容器一般僅做成小型，只用于液氧、液氮及液氬的貯運。

（3）真空粉末絕熱及真空纖維絕熱容器，這種容器可用于液氧、液氮及液氫的貯運。

（4）真空多層絕熱容器以及帶液氫屏或傳導(dǎo)屏的容器，用于液氫及液氦的貯運，特別是液氦容器一般多帶有保護屏。上述后三種容器通常稱為杜瓦容器。杜瓦容器是由同心裝置的兩層或多層金屬殼構(gòu)成，最內(nèi)層的稱為內(nèi)膽，它是用來存放低溫液體，最外層的稱為外殼。內(nèi)膽與外殼之間即為絕熱夾層，內(nèi)裝絕熱材料，或者再裝入保護屏。除上述四種低溫容器之外，對于液化天然氣還可采用地下貯槽。地下貯槽可以采用混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加絕熱結(jié)構(gòu)；也可以用凍土法將貯槽的周圍土壤凍結(jié)成一個絕熱殼體。地下貯槽的優(yōu)點是安全性好，經(jīng)濟性好，且可提高土地的利用率。

低溫容器可以分為固定式及運輸式兩種，前者是為了貯存，后者用于運輸。運輸式容器有陸運、水運與空運之分。陸運容器與運輸工具結(jié)合在一起稱為槽車，它有拖車（用汽車或電車牽引）及鐵路槽車兩種。

低溫容器按其工作壓力可分為兩類：一類是在接近大氣壓的壓力下工作，稱為低壓容器（或敞開式容器）；一類是在1.5～3.0MPa的壓力下工作，稱為高壓容器。低壓容器用于一般的貯存和運輸；高壓容器則是設(shè)置于消費中心，通過管網(wǎng)向用戶供給低溫液體，或者經(jīng)汽化后供給氣體。無論供給液體或氣體，管網(wǎng)中需保持規(guī)定的最低壓力。

低溫容器設(shè)計要點形狀和尺寸低溫容器一般多做成球形或者圓筒形，當(dāng)然也可以做成其他形狀（如圓錐形），但較少見到。球形容器可使器壁較薄，且單位容積的表面積最小，故可以節(jié)省材料和減少冷量損失。但從制造工藝方面考慮，球形只適用于杜瓦瓶（器壁沖擊成型）和大型固定式貯槽，而容量在100m3以下的貯槽通常都做成圓筒形，且兩端用蝶形封頭。公路及鐵路運輸式貯槽，因受運輸工具的制約，也總是做成圓筒形。圓筒形容器可做成立式或者臥式，依具體條件而定。

容器的尺寸根據(jù)設(shè)計容量確定。容器的實際容積應(yīng)大于有效貯存容積，一般應(yīng)留5%～10%的蒸氣空間，以保證安全。圓筒形容器的直徑與長度相等時與球形容器很接近，因而絕熱效果最好。但高壓容器應(yīng)選用較大的長徑比，而運輸式貯槽的尺寸需和運輸工具相適應(yīng)。

絕熱型式選擇絕熱結(jié)構(gòu)的型式時應(yīng)從絕熱性能、經(jīng)濟性、堅固性、重量、體積及制作方便等多方面考慮。目前還沒有一種絕熱型式在所有情況下都認(rèn)為是十全十美的。一般說來，低沸點液體采用高效的絕熱型式；大型容器應(yīng)選用成本低的絕熱型式而不必考慮重量和所占空間的大小，而運輸式及輕便型容器就應(yīng)采用重量輕、體積小的絕熱型式；形狀復(fù)雜的容器一般不宜用真空多層絕熱。此外，對于短期使用或間歇使用的容器，絕熱結(jié)構(gòu)的熱容量應(yīng)盡可能小，這樣預(yù)冷時間較短，冷耗量較小。

材料及結(jié)構(gòu)選用金屬材料時應(yīng)考慮材料在低溫下的力學(xué)性能，而對于內(nèi)膽還需考慮材料與低溫液體的相互作用。一般低溫容器的內(nèi)膽可用銅、鋁合金及奧氏體不銹鋼，液化天然氣貯槽還可用9%的鎳鋼；液氟容器的內(nèi)膽多用蒙乃爾金屬，也可使用不銹鋼、銅、鋁等材料，因熱導(dǎo)率較大，不宜用作管道及內(nèi)膽與外殼之間的支承構(gòu)件。至于容器的外殼，系在室溫下工作，故用普通碳素鋼即可。

容器的壁厚及支承構(gòu)件的尺寸是通過強度計算及穩(wěn)定性計算確定。在強度計算中，除考慮工作壓力及液體的重力作用外，對于運輸式貯槽還需考慮因運輸加速及震動而引起的加速度力，一般是按（3～4）g的加速度計算。如果考慮地震及核子爆炸震動，則需考慮（4～5）g的加速度。

內(nèi)膽與外殼之間的支承構(gòu)件構(gòu)成了熱量傳人的熱橋，是引起冷量損失的途徑之一。為了減小支承構(gòu)件的傳熱量，除采用熱導(dǎo)率小的材料（如不銹鋼、鈦合金）并在接觸處加絕熱墊之外，還可將構(gòu)件加長，以增大導(dǎo)熱熱阻。

管道布置在低溫容器上要布置低溫液體的進入及排出管、放氣管、排污管、儀表管以及其他必需的管道。這些管道同樣是使熱量傳人的熱橋。為了減小管道的傳熱量，除采用熱導(dǎo)率小的材料外，在滿足操作、流速及工作壓力要求的前提下，管道的數(shù)量應(yīng)盡可能少，管徑應(yīng)盡可能小，管壁應(yīng)盡可能?。欢荛L則希望長一些，其在絕熱層中一段的長度最好在1m以上。

管道的兩端分別焊接在內(nèi)膽和外殼上，當(dāng)其預(yù)冷到工作溫度時，各個部分有不同程度的收縮（內(nèi)膽也要收縮）。因此管道在絕熱層內(nèi)應(yīng)彎成U形、環(huán)形或螺旋形，或在適當(dāng)?shù)牡胤郊由炜s節(jié)，使具有較大的脹縮能力。

逃逸氣體的回收低溫液體在貯運中因外部熱量的傳人而不斷汽化，故經(jīng)常有氣體向外逃逸（如果不讓逸出則壓力升高）。對于較貴重的氣體（如稀有氣體及天然氣）應(yīng)設(shè)法予以回收或利用，以減少損失?；厥盏姆椒ㄓ袃煞N，一種是用壓縮機壓入氣瓶中，一種是用小型液化器使之液化后再返回貯槽中。1